Термостабильность и компоновка резисторов датчика управления насосом

Термостабильность и компоновка резисторов датчика управления насосом

Резюме

Измерение тока определяет стабильность длины волны источника накачки волоконного лазера, а измерительный резистор сильно нагревается. В этой статье выводятся параметры теплового сопротивления, линейные и квадратичные члены температурного коэффициента сопротивления, импульсный нарастание и закон связи, перечисляются четыре проблемные точки компоновки и предлагаются шесть стратегий, позволяющих удерживать погрешность измерения в пределах ±0.1%.

1. Введение

Мощные волоконные лазеры накачки работают с током от 10 до 60 А на канал при частоте от 100 до 500 кГц. Резисторы, измеряющие и ограничивающие ток, являются одними из наиболее подверженных тепловым нагрузкам пассивных компонентов в цепи управления.

Один чувствительный элемент непрерывно рассеивает от 0.5 до 5 Вт, что создает локальную горячую точку. В результате температурный коэффициент сопротивления выходит за пределы заданного диапазона, а возникающая ошибка тока смещает длину волны накачивающего диода.

В этой области применения преобладают толстопленочные компоненты, поскольку они выдерживают сопротивление от 1 мОм до 100 мОм, пиковую импульсную мощность до 500 Вт и подходят для автоматизированной установки. Их тепловые характеристики сложнее, чем простое значение температурного коэффициента сопротивления (TCR).

Сопротивление зависит от температуры элемента, от градиента температуры по всей пленке, от пути распространения тепла через подложку и паяное соединение, а также от коэффициента заполнения импульсной последовательности.

В данной статье выводятся уравнения теплопроводности, перечисляются четыре проблемные области компоновки и предлагаются шесть стратегий для создания термостабильного резистора датчика в многоканальном драйвере насоса.

2. Основной механизм

2.1 Модель стационарного теплового сопротивления

Повышение температуры выше температуры окружающей среды происходит вслед за суммарным термическим сопротивлением пленки воздуху:

ΔT = P_diss × R_th_total

где ΔT — повышение температуры, P_diss — рассеяние энергии в элементе, а R_th_total — общее тепловое сопротивление сборки.

Это сопротивление состоит из четырех последовательных составляющих:

R_th_total = R_film + R_solder + R_spread + R_air

где R_film — это коэффициент теплопередачи от пленки к подложке, составляющий от 10 °C/Вт до 30 °C/Вт для оксида алюминия, R_solder — коэффициент теплопередачи припоя, составляющий от 2 °C/Вт до 5 °C/Вт, R_spread — коэффициент теплопередачи меди на печатной плате, составляющий от 5 °C/Вт до 15 °C/Вт, и R_air — коэффициент теплопередачи за счет конвекции и излучения, составляющий от 30 °C/Вт до 80 °C/Вт.

Нагревательный элемент мощностью 2 Вт в сборке с температурой 60 °C/Вт нагревается на 120 °C выше температуры окружающей среды 40 °C, что приводит к нагреву пленки до 160 °C. Номинальная температура компонента составляет от 125 °C до 155 °C, поэтому запас по температуре уже исчерпан.

2.2 TCR и его квадратичная составляющая

Термореактивный коэффициент сопротивления толстопленочного электрода является функцией температуры, а не постоянной величиной:

R(T) = R_0 × [1 + α × (T − T_0) + β × (T − T_0)²]

где R(T) — сопротивление при температуре T, R_0 — значение при эталонной температуре T_0, α — линейный температурный коэффициент сопротивления, а β — квадратичный коэффициент.

Стандартные пленки имеют диапазон α от ±50 ppm/°C до ±200 ppm/°C, а прецизионные — от ±15 ppm/°C до ±25 ppm/°C. Квадратичный член варьируется от 0.1 ppm/°C² до 0.5 ppm/°C².

При температуре 160 °C и температуре T_0 25 °C пленка с α = 100 ppm/°C и β = 0.5 ppm/°C² отклоняется на 1.35% от линейного члена и еще на 0.91% от квадратичного члена, что составляет 2.26% от общей погрешности.

2.3 Переходный рост в импульсном режиме работы

Приводы насосов работают с коэффициентом заполнения от 10% до 80%, и на это отвечает их тепловая постоянная времени:

ΔT(t) = P_diss × R_th_total × [1 − e^(−t / τ_th)]

где τ_th — тепловая постоянная времени сборки, обычно от 50 до 500 мс для толстопленочных SMD-компонентов.

Цикл переключения происходит на этой медленной кривой:

ΔT_pk_pk = P_peak × R_film × (1 − e^(−t_on / τ_th))

где ΔT_pk_pk — пульсация цикла на пленке, P_peak — пиковое рассеяние, а t_on — время включения одного цикла переключения.

При частоте 200 кГц и коэффициенте заполнения 50% время включения t_on составляет 2.5 мкс. Пиковая мощность 2 Вт с температурным коэффициентом 20 °C/Вт и постоянной времени 50 мс дает пульсации цикла 0.002 °C. Низкомассивные тонкопленочные компоненты превышают 1 °C и добавляют пульсации к показаниям тока.

2.4 Тепловая связь между соседними элементами

Два элемента на одной плате обмениваются теплом через медь и материал платы:

k_coupling = e^(−d / L_decay)

где k_coupling — коэффициент связи, d — расстояние между центрами элементов, а L_decay — длина теплового затухания в печатной плате, от 3 мм до 8 мм для FR-4 с 1 унцией меди.

При расстоянии между элементами 5 мм и длине затухания 5 мм коэффициент равен 0.37, поэтому 37% подъема одного элемента приходится на его соседа. В этом случае в петлях канала наблюдается коррелированный дрейф, который не выявляется измерениями на одном канале.

Рис. 1 — При мощности 2 Вт температура достигает 176 °C в стандартной компоновке, 152 °C на массиве переходных отверстий и 96 °C на холодной пластине при номинальной температуре пленки 125 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблемный момент 1: Стабильный рост рейтинга выше установленного для фильма уровня.

В компактных модулях с удельной мощностью выше 10 Вт/см² чувствительный элемент может нагреваться до 180 °C. Стандартные толстопленочные компоненты рассчитаны на непрерывную работу при температурах от 125 °C до 155 °C.

После достижения этого предела резистивная пленка стареет, и сопротивление изменяется на 0.5–2% после 1,000 часов работы. Это изменение является необратимым, поэтому погрешность измерения будет расти на протяжении всего оставшегося срока службы.

Проблема 2: Нелинейный TCR как ошибка, зависящая от температуры.

Стандартная пленка с концентрацией 100 ppm/°C изменяет сопротивление на 1.0% в диапазоне рабочих температур 100 °C, и квадратичный член добавляется к этому изменению на горячем конце. Эта ошибка носит систематический характер и характерна для каждого канала в одной и той же температурной среде.

На канале с током 50 А эти 1.0% составляют погрешность тока 0.5 А, что при чувствительности диода накачки 0.3 нм на 0.1% сдвигает длину волны на несколько нанометров.

Проблемный момент 3: Градиент от центра к краю по всей матрице каналов.

В четырехканальном динамике внешние каналы охлаждаются лучше, чем центральные, потому что они расположены ближе к краю платы и воздушному потоку. Разница температур составляет от 15 °C до 25 °C.

При концентрации 100 ppm/°C такой градиент создает дисбаланс тока в диапазоне от 0.15% до 0.25%. Система распределения питания корректирует часть этого дисбаланса, но не может отслеживать остальную часть, поскольку градиент зависит от нагрузки и окружающей среды.

Проблема №4: Усталость паяных соединений при термических циклах

В месте соединения алюминиевой подложки с температурой плавления 7 ppm/°C и платы FR-4 с температурой плавления от 14 ppm/°C до 17 ppm/°C возникает несоответствие параметров теплового расширения при каждом цикле включения/выключения.

После 10 000 циклов с перепадом температур в 100 °C сопротивление соединения увеличивается на 0.1 мОм до 0.5 мОм из-за микротрещин. Это паразитное сопротивление попадает в цепь измерения в виде медленного смещения тока.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Переход на пленку высокого качества.

Укажите толстопленочный резистор с температурным коэффициентом сопротивления (TCR) от ±15 ppm/°C до ±25 ppm/°C и пленкой оксида рутения на подложке из 96% оксида алюминия толщиной не менее 0.635 мм.

В диапазоне температур более 100 °C дрейф снижается с 1.0% до 0.15%, что находится в пределах допуска измерения драйвера ±0.5%. Также запросите квадратичный коэффициент, поскольку он играет доминирующую роль при температурах выше 150 °C.

Стратегия 2: Разместите массив переходных отверстий под каждой контактной площадкой.

Разместите теплопроводящие переходные отверстия диаметром 0.3 мм под контактными площадками с шагом 1.2 мм, не менее 12 на каждую площадку, заполненные медью или теплопроводящей эпоксидной смолой. Массив обеспечивает теплопроводность от 2 Вт/м·К до 4 Вт/м·К по всей плате.

Показатель «контакт-плата» снижается с 15 °C/Вт до 3 °C/Вт, что увеличивает температуру сборки с 60 °C/Вт до 48 °C/Вт. Таким образом, нагревательный элемент мощностью 2 Вт находится на 96 °C выше температуры окружающей среды вместо 120 °C.

Стратегия 3: Соедините медную пластину с холодной пластиной.

Прикрепите медную теплоизоляционную пластину к контактным площадкам элементов и припаяйте ее к радиатору или холодной пластине с помощью промежуточного материала с теплопроводностью от 3 Вт/м·К до 8 Вт/м·К. В корпусе с водяным охлаждением проложите охлаждающую жидкость на расстоянии не более 10 мм от массива.

Сопротивление платы охлаждающей жидкости ниже 5 °C/Вт поддерживает температуру пленки на уровне около 80 °C при полной нагрузке, что на 45 °C ниже номинального значения. пленочный конденсатор На том же узле наблюдается та же самая благоприятная среда.

Стратегия 4: Расположите каналы на некотором расстоянии друг от друга для обеспечения сцепления.

Установите расстояние между центрами элементов равным 10 мм или более, что увеличит коэффициент связи с 0.37 до 0.14 при длине затухания 5 мм.

В конструкциях с ограниченным пространством следует прокладывать изоляционные щели шириной 2 мм между контактными площадками. Эти щели увеличивают эффективную длину затухания в два-три раза и обеспечивают такое же снижение связи при меньших габаритах.

Стратегия 5: Обход датчиков с помощью компонентов класса I.

Поместите 100 нФ N4700 Конденсаторы (T3M) подключены непосредственно к выводам датчика, длина дорожек менее 3 мм, а эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) ниже 5 нГн. Температурный коэффициент ±30 ppm/°C и тангенс угла диэлектрических потерь (tan δ) ниже 0.1% обеспечивают стабильность байпаса в широком диапазоне температур.

Обходной каскад уменьшает пульсации на входе обратной связи на 20–30 дБ на частоте переключения без добавления собственного температурно-зависимого члена.

Стратегия 6: Компенсация остаточного дрейфа с помощью NTC.

Установите терморезистор NTC на расстоянии не более 2 мм от каждого элемента и скорректируйте показания в цифровой петле:

R_compensated = R_measured / [1 + α × (T_measured − T_calibration)]

где R_compensated — скорректированное значение, R_measured — значение, считанное петлей, α — температурный коэффициент сопротивления пленки, T_measured — локальная температура, а T_calibration — температура, использованная при калибровке.

После коррекции остаточное отклонение составляет менее 5 ppm/°C, что в диапазоне 55 °C соответствует 0.03% погрешности измерения. Используйте HVCT8G или бессвинцовый компонент в цепи терморезисторного фильтра, чтобы исключить влияние коммутационных помех при измерении.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальная мощность (серия HVR)	50 Вт при 70 °C	алюминиевый корпус, свободный поток воздуха
Значение сопротивления	10 кОм ±5%	эталонная температура 25 °C
Рабочее напряжение	10 кВ переменного/постоянного тока	(CIJ)
Устойчивость к импульсам	30 кВ при 10 мкс	10 импульсов, класс IEC 60110
Температурный коэффициент (резистивный)	±50 частей на миллион/°C	от −55 °C до +155 °C
сопротивление изоляции	сопротивление выше 1 ГОм при напряжении 1000 В постоянного тока	мин. ползучесть 25 мм
Возможность перенапряжения	100 А при 1 мс	неиндуктивная проволочная обмотка

5. Компоненты HVC для термостабильного датчика

На этом этапе выбор определяется тремя требованиями: пленка, температурный коэффициент сопротивления которой сохраняет свое значение при рабочей температуре, байпас, не создающий собственного теплового дрейфа, и идентичное поведение во всех параллельных каналах. Компания HVC производит прецизионные толстопленочные резисторы и конденсаторы класса I N4700 (T3M) на основе SrTiO3 на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, с сопротивлением от 1 мОм до 100 мОм и напряжением от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Температурный коэффициент сопротивления (TCR) составляет ±15 ppm/°C на пленке оксида рутения поверх 96% оксида алюминия в диапазоне температур от −55 °C до +155 °C. В диапазоне 100 °C это составляет 0.15% погрешности измерения по сравнению с 1.0% для стандартной пленки.
• После 10 000 часов работы при номинальной мощности дрейф сопротивления составляет менее 0.1%, поэтому канал измерения не требует плановой повторной калибровки.
• Обводной канал N4700 с коэффициентом ±30 ppm/°C и тангенсом угла диэлектрических потерь ниже 0.1%, благодаря чему фильтр на измерительных отводах не смещается в зависимости от температуры окружающей среды.
• Допуск ESR составляет ±5% на шунтирующих элементах, что обеспечивает одинаковое подавление пульсаций по всем каналам в четырехканальном драйвере.
• Емкость в пределах 2% после 50 000 часов при 85 °C, наряду с вышеупомянутым дрейфом сопротивления, обеспечивает соответствие цепи датчиков техническим характеристикам на протяжении всего срока службы лазера.
• Подходит для установки в устройства ведущих производителей. Винтовой компонент 40 кВ/441 соответствует электрическим параметрам и габаритам корпуса. Murata Винтовые конденсаторы в программе полевого ремонта источников света для литографии.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в проведении теплового моделирования, подборе температурного коэффициента сопротивления и анализе компоновки, а также... резистор выборки Сравните существующие конструкции драйверов.

Отправьте данные о токе канала, рассеиваемой мощности, температуре окружающей среды, структуре печатной платы и количестве каналов. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит список компонентов с данными о температурном коэффициенте сопротивления (TCR) и фотодиоде (PD), а также комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Насколько сильно нагревается резистор мощностью 2 Вт?

Отсюда следует соотношение ΔT = P × R_th. Стандартная сборка с температурой 60 °C/Вт помещает элемент мощностью 2 Вт на 120 °C выше температуры окружающей среды 40 °C, поэтому пленка достигает 160 °C. Массив переходных отверстий увеличивает температуру сборки до 48 °C/Вт, что на 96 °C выше температуры окружающей среды.

В2: Какую величину добавляет квадратичный член TCR?

При температуре 160 °C и эталонной температуре 25 °C пленка с α = 100 ppm/°C и β = 0.5 ppm/°C² показывает отклонение от линейного члена на 1.35% и от квадратичного члена на 0.91%. Пленка с прецизионной характеристикой при 15 ppm/°C сохраняет линейное отклонение на уровне 0.20% в том же диапазоне.

В3: Какое расстояние между каналами необходимо?

Расстояние между контактами определяет коэффициент связи как e^(−d/L_decay). При расстоянии 5 мм и длине затухания 5 мм коэффициент равен 0.37. При 10 мм он падает до 0.14, а при расстоянии между контактными площадками в 2 мм достигается аналогичный показатель на меньшей площади платы.

Вопрос 4: Влияет ли коэффициент заполнения импульса на температуру пленки?

Пульсации цикла невелики. При частоте 200 кГц и коэффициенте заполнения 50% время включения составляет 2.5 мкс, а тепловая постоянная времени — 50 мс, поэтому пиковая мощность в 2 Вт добавляет около 0.002 °C пульсаций. Среднее рассеяние энергии определяет установившийся нарастающий уровень.

В5: Как термоциклирование влияет на паяное соединение?

Алюминиевая подложка при температуре 7 ppm/°C и плата FR-4 при температуре от 14 ppm/°C до 17 ppm/°C создают несоответствие на каждом цикле. После 10 000 циклов с перепадом температур в 100 °C сопротивление соединения увеличилось на 0.1 мОм до 0.5 мОм, что проявляется в виде медленного смещения в цепи измерения.

В6: Насколько точным может быть компенсированный канал?

Терморезистор NTC с точностью до 2 мм и полиномиальная коррекция обеспечивают остаточную погрешность ниже 5 ppm/°C. В диапазоне 55 °C это составляет 0.03% погрешности, что удерживает канал в пределах целевого значения ±0.1% во всем рабочем диапазоне.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. Д. Ли, Ю. Чжун, С. Чжоу и Г. Чжай, Метод анализа разрушения многослойного керамического конденсатора с помощью фазового поля.IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 14, no. 2, pp. 211-220, 2024. https://doi.org/10.1109/tcpmt.2024.3359598.
6. Руководство по применению IGBT-транзисторов Fuji, Глава 5 — Проектирование схем защиты (REH984)Fuji Electric, REH984, https://www.fujielectric.com/device/semi/technical/application/pdf/REH984/REH984_05.pdf .
7. УЛ 810, Стандарт безопасности для конденсаторов, 6-е изд. Нортбрук: UL Standards & Engagement, 2019.
8. Биллингс, К.Х., и Мори, Т. Справочник по импульсным источникам питания, 3-е изд. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 2011.
9. AND9800/D — Выбор демпфирующего конденсатора для применения в системах управления двигателями (таблица 15, данные испытаний), onsemi, AND9800-D, https://m.onsemi.jp/pub/Collateral/AND9800-D.PDF .
10. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com